XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D МОДЕЛЬ КРЫТОГО СКЕЙТПАРКА В Г.ЧИТЕ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Выбор темы: «3D модель крытого скейтпарка» в нашем городе неслучаен. Возникла идея объединить 3D моделирование с хобби kickscootering (трюковой самокат). Первая идея была смоделировать самокат, но она почти не отличалась оригинальностью от любого другого объекта.
В Чите никогда не было крытого скейтпарка (в помещении) и с наступлением зимы читинские райдеры-экстремалы «уходили в спячку», но с каждым годом количество райдеров в городе возрастало, а новых скейтпарков не появлялось, так и была придумана актуальная для нашего города Читы тема.
Цель: Создать 3D макет(модель) скейтпарка масштаба.
Задачи: 1) изучить литературу по теме «3D моделирование»
2) создать 3D модель скейтпарка в ПО Blender
3) представить презентацию продукта
Методы:
Теоретические:
изучение теоретического материала по заявленной проблеме;
анализ программных средств;
Практические:
моделирование;
проведение корректировки модели;
презентация продукта
Практическая значимость данного проекта заключается в дальнейшем использовании результатов проекта в учебной и творческой деятельности
1.1.Общие понятия
Трёхмерная графика — раздел компьютерной графики, посвящённый методам создания изображений или видео путём моделирования объектов в трёх измерениях.
3D-моделирование — процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать зрительный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
Моделирование — создание трёхмерной математической модели сцены и объектов в ней.
Текстурирование — назначение поверхностям моделей растровых или процедурных текстур (подразумевает также настройку свойств материалов — прозрачность, отражения, шероховатость и пр.).
Освещение — установка и настройка источников света.
Анимация (в некоторых случаях) — придание движения объектам.
Динамическая симуляция (в некоторых случаях) — автоматический расчёт взаимодействия частиц, твёрдых/мягких тел и пр. с моделируемыми силами гравитации, ветра, выталкивания и др., а также друг с другом.
Рендеринг (визуализация) — построение проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
Композитинг (компоновка) — доработка изображения.
вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или специальный принтер.
1.2.Моделирование
Моделирование представляет собой соединение разных наборов точек с геометрическими фигурами и линиями для создания моделей. Существует два его вида:
– воксельное, используется в основном в медицине в качестве сканеров или томографов;
– полигональное, универсально и используется во многих областях, с помощью него создаются модели для любых предназначений.
При выборе технологической составляющей 3D моделирования стоит ориентироваться на имеющееся программное обеспечение. Многообразие и характерные особенности компьютерных программ заслуживают отдельного внимания. Правильно выбранный функционал ПО поможет безошибочно выполнить любой проект. Например, в 3D max моделировании трудно выполнить развертку и корректно наложить текстуру на объект, но другой программе можно найти инструменты для выполнения данной задачи.
Проекты с большим уровнем сложности имеют разделение на визуализацию и моделирование, поэтому для выполнения такого рода работы необходимо иметь определенный объем навыков и знаний.
1.3. Текстурирование
Текстура – это изображение (растровый формат), применяемое к полигональной модели путем наложения, с целью придания модели фактурности, рельефности и нужной цветовой окраски.
Текстурирование – важный этап в процессе создания и визуализации 3D модели изделия, позволяющий придать поверхности объемного объекта определенных параметров и свойств, для придания ее максимальной реалистичности и сходства с реальным объектом.
Выделяют следующие основные виды текстурирования
рельефное текстурирование;
MIP-текстурирование.
Качество текстурирования объекта определяется такими единицами как тексиль. Тексиль – это совокупность пикселей, приходящихся на 1 единицу текстуры. Формат и разрешение картинки используемой текстуры напрямую определяют качество итоговых результатов.
Выделяют следующие основные методы создания текстур:
отрисовка в графическом 2D редакторе, например, Photoshop;
создание текстуры в 3D пакете для рисования, например, Mudbox, ZBrush, Mari или 3D-Coat;
построение на основе процедурных карт;
комплексным применением процедурных техник различного рода, 2D и 3D-формата.
создание плоскости, поиск и доработка текстуры кирпичной стены; создание бесшовной текстуры стены из кирпича в 2D программах.
для придания текстуре кирпичной стены легкого реалистичного блеска создается карта блеска;
шероховатость поверхности получается за счет создания карты неровностей.
отражающая способность кирпичной стены создается при помощи карты отражений.
Рельефное текстурирование — метод в компьютерной графике для придания более реалистичного и насыщенного вида поверхности объектов.
Виды рельефного текстурирования
Bump mapping — простой способ создания эффекта рельефной поверхности с детализацией большей, чем позволяет полигональная поверхность.
Normal mapping — техника, позволяющая изменять нормаль отображаемого пикселя основываясь на цветной карте нормалей, в которой эти отклонения хранятся в виде текселя, цветовые составляющие которого [r,g,b] интерпретируются в оси вектора [x, y, z], на основе которого вычисляется нормаль, используемая для расчёта освещённости пикселя.
Parallax occlusion mapping (сокращённо POM) — программная техника (методика) в трёхмерной компьютерной графике, усовершенствованный вариант техники «parallax mapping». Parallax occlusion mapping используется для процедурного создания трёхмерного описания текстурированной.
1.4.Освещение
Заключается в создании, направлении и настройке виртуальных источников света. Следует учитывать, что в виртуальном мире источники света могут иметь негативную интенсивность, отбирать свет из зоны своего «отрицательного освещения». Как правило, пакеты 3D-графики предоставляют следующие типы источников освещения:
Omni light (Point light) — всенаправленный;
Spot light — конический (прожектор), источник расходящихся лучей;
Directional light — источник параллельных лучей;
Area light (Plane light) — световой портал, излучающий свет из плоскости;
Photometric — источники света, моделируемые по параметрам яркости свечения в физически измеримых единицах, с заданной температурой накала.
Существуют также другие типы источников света, отличающиеся по своему функциональному назначению в разных программах трёхмерной графики и визуализации. Некоторые пакеты предоставляют возможности создавать источники объёмного свечения (Sphere light) или объёмного освещения (Volume light), в пределах строго заданного объёма. Некоторые предоставляют возможность использовать геометрические объекты произвольной формы.
1.5.Анимация
Одно из главных призваний трёхмерной графики — придание движения (анимация) трёхмерной модели, либо имитация движения среди трёхмерных объектов. Универсальные пакеты трёхмерной графики обладают весьма богатыми возможностями по созданию анимации. Существуют также узкоспециализированные программы, созданные сугубо для анимации и обладающие очень ограниченным набором инструментов моделирования:
Autodesk MotionBuilder
PMG Messiah Studio
Термины 3D-анимации, которые необходимы для понимания процесса создания видео:
Векторные изображения. Тип компьютерной графики, которая создается с помощью описания простых геометрических объектов.
Ключевой кадр. Кадр, который задает движение анимируемого объекта, своего рода исходная точка. По сути, представляет собой фиксацию движения во времени.
Блокинг. Совокупность наиболее важных поз, которая создается для дальнейшего анимирования объекта.
Моделирование. Модель, созданная в трехмерном пространстве, которую анимируют.
Текстура. Изображение, которое покрывает модель. В немалой степени именно оно определяет ее внешний вид.
Рендеринг. Процесс получения готового изображения трехмерной модели с помощью компьютерных вычислений.
Композитинг. Совмещение всех объектов в единую сцену с добавлением эффектов.
FPS. Частота кадров в секунду при воспроизведении анимации.
Способы создания 3D-анимации
3D-анимация людей
3D-визуализация с анимацией
После длительной работы по созданию идеальной модели, возникает необходимость «оживить» ее. Сделать это можно несколькими способами:
По ключевым кадрам
По траектории
В динамической среде
По технологии захвата движения
С помощью 3D-анимации можно создать:
запоминающиеся фрагменты рекламных роликов
визуализацию статичных рекламных материалов
трехмерные модели предлагаемого к покупке товара
1.6.Рендеринг
Ре́ндеринг или отрисо́вка (англ. rendering — «визуализация») — термин в компьютерной графике, обозначающий процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы.
Существует несколько технологий рендеринга, часто комбинируемых вместе:
Z-буфер (используется в OpenGL и DirectX 10)
Сканлайн (scanline) — он же Ray casting («бросание луча», упрощённый алгоритм обратной трассировки лучей)
Трассировка лучей (рейтрейсинг, англ. raytracing)
Глобальноеосвещение (англ. global illumination, radiosity)
Программы для рендеринга
Сейчас на рынке присутствует большое количество рендеринг движков, которые отличаются между собой скоростью, качеством картинки и простотой использования.
Как правило, рендер движки являются встроенными в крупные 3D программы для работы с графикой и имеют огромный потенциал. Среди наиболее популярных 3D программ (пакетов) есть такой софт как:
3ds Max
Maya
Blender
Cinema 4d идр.
Многие из этих 3D пакетов имеют уже идущие в комплекте рендер движки. К примеру, рендер-движок Mental Ray присутствует в пакете 3Ds Max. Также, практически любой популярный рендер-движок, можно подключить к большинству известных 3D пакетов. Среди популярных рендер движков есть такие как:
V-ray
Mentalray
Coronarenderer и др.
1.7. Программы для 3D моделирования
На сегодняшний день разработано различное количество программ для 3D моделирования. Их список постоянно растет, ведь компании, создающие данное ПО, хотят охватить, как можно большую аудиторию потребителей, поэтому с появлением новых потребностей к специфике программы, они создают новые приложения. Среди всего многообразия существуют как платные, так и бесплатные программы для трехмерного моделирования. К лидерам первой категории относятся 3D max, Maya, AutoCad, Cinema 4D, Компас 3D, Rhinoceros, а ко второй стоит отнести Blender 3D моделирование, Wings3D и Google SketchUp.
Рассмотрим более детально каждый из этих продуктов:
3D max – одна из самых популярных программ, является профессиональной и имеет полноценный функционал. Используется для создания мультипликационного монтажа, анимации и трехмерной графики. Имеет ряд инструментов для создания моделей различной сложности. С её помощью можно получить любой виртуальный объект с точностью до мелочей и в последствии применить к нему анимацию. Есть платная и бесплатная студенческая версии программы.
Maya – профессиональное ПО используемое кинематографом и разработчиками игр. Она имеет разнообразные ресурсы для получения качественных и реалистичных 3D- моделей.
AutoCad – создана для впечатляющего 2D и 3D моделирования и выпускается на 18 языках. Здесь проработанный и понятный даже новичку интерфейс. В ней можно воссоздать модель при помощи 2D инструментов, а в последствии дополнить её в трехмерном функционале. Также можно моделировать отдельные объекты и целые комплексы, а также создавать текстуры для игр.
Cinema 4D – универсальная программа, разработанная для трехмерного моделирования и анимации. Имеет различный функционал и обладает простым интерфейсом, к тому же он имеет русский язык, что несомненно делает ее очень популярной среди русскоязычных потребителей.
Компас 3D – ПО для объемного моделирования. Она имеет математическое ядро и замечательно подходит для реализации инженерных проектов. Программа может не только построить модель, но и выполнить расчеты и анализ для дальнейшего её изготовления. Имеет поддержку русского языка.
Rhinoceros – используется для 3D моделирования в архитектуре, проектировании кораблей, в разработке дизайна для ювелирных организаций и автопрома, а также мультимедиа. Свою популярность она получила благодаря богатому функционалу и возможности импорта и экспорта файлов различного формата.
Blender – программа для 3D моделирования, рендеринга, анимации, монтажа и постобработки. Кроме имеющего функционала, она сможет поддерживать другие плагины, которые помогают увеличить её возможности. Имеет файл для начинающих обучение 3D моделированию.
Wings3D – самая простое ПО для трехмерного моделирования, в которой можно работать с несложными моделями. Минимальный и доступный интерфейс значительно облегчает работу начинающим специалистам. Кроме этого при помощи открытого кода программу можно модифицировать.
Google SketchUp – позволяет создавать и редактировать различные варианты моделей. При мощи данной программы к ним можно добавлять новые элементы и текстуры. Обладает широким набором инструментов для создания объектов различной сложности.
Данный список программ является далеко не полным, но при желании профессионально заниматься и получать необходимый багаж знаний 3D моделирования, вы можете самостоятельно подобрать подходящее ПО. Трехмерное моделирование – это действительно уникальная технология, за которой лежит будущее многих бизнес-проектов. Оно предоставляет человеку потрясающие возможности воплощения в полной мере будущего объекта. Введение такого рода технологий ведет к экономии ресурсов, упрощению работ и расширению возможностей.
Ожидаемые результаты
Проект будет продемонстрирован райдерам-экстремалам.
Будут собраны петиции о просьбе постройки скейтпарка.
3D модель будет показана заинтересованным данной темой людям и передана министерству спорта Заб.края или влиятельным предпринимателям и инвесторам.
Скейтпарк будет построен.
Перспективы развития проекта
Создание данного скейтпарка внесет шаг в развитие экстремальных видов спорта в нашем городе и крае, также послужит основанием новой субкультурой здорового образа жизни среди молодежи.
Заключение
В ходе работы над проектом был получен продукт в виде 3D модели крытого скейтпарка. Данный проект является попыткой развития и распространения экстремальных видов спорта в городе Чите.
Я надеюсь, что министерство спорта Забайкальского края, губернатор, предприниматели, а также сами райдеры обратят внимание на эту работу, и модель скейтпарка в трехмерной графике воплотится в физический объект.
Библиографический список
В. П. Большаков «3D-моделирование в КОМПАС-3D версий V17 и выше». Учебное пособие для вузов
Андрей Прахов «Самоучитель Blender 2.7»
Андрей Прахов «Самоучитель Blender 2.6»
Интернет-ресуры
https://habr.com/ru/company/productivity_inside/blog/328064/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Трёхмерная_графика
https://en.wikipedia.org/wiki/Kick_scooter
https://habr.com/ru/post/451266/
https://ru.wikipedia.org/wiki/3D
https://vys-tech.ru/2017/08/15/r
Приложение
3D модель крытого скейтпарка (масштаб 2:1).